Mit dem Ballon in die Stratosphäre Arbeitsheft Auszug - 2

Arbeitsheft 1
Immo Kadner
Auszug
Mit dem Wetterballon
in die Stratosphäre
www.nawischool.de
NaWi School

Projektplanung
Mit dem eigenen Wetterballon in die Stratosphäre
Abb. 1
Startvorbereitungen eines Wetterballons
in Australien (Foto: flickr)
Wir wollen in die Stratosphäre. Mithilfe eines eigenen Wetterballons sollen Gipfelhöhe,
Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie die Intensität der UV-Strahlung in der Stratosphäre
gemessen werden. Darüber hinaus werden die Flugroute erfasst und der Flug
durch Foto- und Videoaufnahmen dokumentiert. Unser Ballonstart ist das Modell einer wissenschaftlichen
Mission nach dem Vorbild von Sunrise des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung
aus dem Jahre 2013. Wie bei unserem großen Vorbild durchlaufen
wir die gleichen Phasen: Missionsplanung, Entwurf, Konstruktion und Bau des Datenloggers,
Erprobung und Optimierung der Komponenten im Labor, Durchführung der Mission,
Auswertung und Kommunikation der Ergebnisse. Vor dem Start des Wetterballons sind
deshalb zahlreiche technische, physikalische und logistische Probleme zu beachten, zu
diskutieren und zu lösen.
Aufgabe:
Plant den Start eines eigenen Wetterballons zur Messung von Druck, Temperatur,
Luftfeuchtigkeit und UV-Strahlung in der Stratosphäre. /5/
Vorbereitung und Missionsplanung:
1. Wir wollen ballongestützte Messungen von Temperatur, Druck und UV-
Strahlung in der Stratosphäre durchführen. Was wird gebraucht? Welche technischen
und physikalischen Probleme sind zu erwarten? Notiert auf der Vorderseite
einer Karteikarte einen Begriff, der für ein bedeutendes Problem steht.
2. Ordnet, sortiert und ergänzt die Karteikarten (Abb. 2) nach der Wichtigkeit der
Aufgaben. Begründet die Reihenfolge. Entwerft eine Tabelle mit den zu erwartenden
physikalischen, technischen und logistischen Problemen. Entwickelt
und diskutiert die Lösungsvorschläge.
3. Im nachfolgenden Diagramm sollen die wichtigsten Etappen der Missionsplanung
erfasst werden. Ergänzt die Darstellung:
Test der
Ausrüstung
Sonde
______________
Bahnverfolgung
Gewicht
Hülle
_____________
______________
4. Ein erfolgreicher Start des Wetterballons ist nur bei erfolgreicher Teamarbeit
möglich. Deshalb sind mehrere Arbeitsgruppen zu bilden.
a) Ergänzt die Darstellungen zur Aufteilung der Arbeitsgruppen sowie der
Seitenangaben in den Arbeitsheften (Anhang 1/Ab. 1/2).
b) Bildet Arbeitsgruppen zur Vorbereitung des Ballonfluges. Es werden mindestens
die folgenden vier Gruppen benötigt: Experimente, Bahnverfolgung
und Ortung, Sonde und Ballongröße/Heliummenge. Zu jeder Arbeitsgruppe
gehört eine Checkliste der Teilaufgaben (Anhang 4/Tab. 3)
c) Informiert euch über die rechtlichen Voraussetzungen zum Start eines
Wetterballons.
d) Wir wollen wichtige Arbeitsschritte in einem digitalen Laborbuch erfassen,
damit sie von allen Teammitgliedern einsehbar sind. Erprobt die Software.
e) Wir wollen die Arbeitsorganisation mit einer onlinegestützten Mindmap,
z. B. mit MindMeister, FreeMind oder Coggle.it, erleichtern. Testet die Softwares.
Welche Vorteile bieten diese Tools?
f) Im Anhang des Arbeitsheftes (Anhang 5/6) ist eine Checkliste für den Start
enthalten. Nutzt diese Übersicht zur Kontrolle der Startvorbereitungen.
Abb. 2 Aufgaben beim Ballonaufstieg
Literatur und Links:
/2/ Kadner: Mit dem Ballon um die Welt. Montgolfier und der Heißluftballon. Piccard und der Gasballon. NaWiSchool, Berlin 2015
/3/ Kadner: Mit dem Ballon in die Stratosphäre. Das Schulprojekt. www.nawischool.de

Mit dem eigenem Datenlogger in die Stratosphäre
Erfinden und Konstruieren
Die Messung von Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre geschieht in
Radiosonden vollautomatisch. Die Daten werden per Funk übertragen. Bei unserem Stratosphärenflug
nutzen wir zur Datenerfassung spezielle Sensoren für Druck, Temperatur
und Luftfeuchtigkeit sowie den Mikrocontroller Arduino. Die Messwerte werden auf einer
MicroSD-Karte gespeichert und später ausgelesen. Die Sonde muss deshalb geborgen
werden. Für den Aufstieg in die Stratosphäre soll ein Datenlogger entworfen, gebaut und
erprobt werden, der die Temperatur, den Druck und der Luftfeuchtigkeit mithilfe von Sensoren
erfasst und speichert. Die Entwicklung und Erprobung ist dabei zu dokumentieren.
Aufgaben:
Entwerft und baut einen Mikrocontroller auf der Basis von Arduino zur Messung
von Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit in der Stratosphäre.
Vorbereitung:
1. Beschreibt den Aufbau und erklärt die Wirkungsweise der Sensoren zur Messung
von Temperatur und Druck.
2. Welche Sensoren könnten für unser Vorhaben geeignet sein? Welche Eigenschaften
müssen sie erfüllen? Begründet. Stellt zwei Sensoren und ihre Eigenschaften
in der folgenden Tabelle gegenüber.
3. Entwerft den Mikrocontroller zur Erfassung der Wetterdaten Druck, Temperatur
und Luftfeuchtigkeit.
4. Baut und programmiert den Mikrocontroller auf einer Steckplatte. Protokolliert
die wichtigsten Arbeitsschritte, die Probleme, alle genutzten Quellen sowie
den Zeitbedarf tabellarisch nach dem folgenden Muster in einem Laborbuch.
Fertigt Fotos und Videos an. Dokumentiert das Projekt auf einer A4-Seite.
5. Das Diagramm in Anhang 2 (Abb. 3) wurde von einem Datenlogger beim Flug
durch die Stratosphäre gewonnen. Interpretiert das Diagramm. Lest die Extremwerte
ab. Welche Informationen lassen sich daraus gewinnen?
Datum Arbeitsschritte Bemerkungen
Drucksensor BMP280
Abb.1
Abb.1
Durchführung:
1. Messt Temperatur und Luftdruck mit dem Datenlogger über einen längeren
Zeitraum von 3 Stunden und anschließend über 3 Tage im Freien.
2. Erprobt den Datenlogger unter einer Vakuumglocke und in einem Tiefkühlschrank.
Beobachtet und protokolliert in regelmäßigen Zeitabständen das Verhalten
des Gerätes. Weshalb sind die Versuchsbedingungen nicht identisch
mit denen in der Stratosphäre?
Temperatur- und Feuchtigkeitssensor
DHT11
Zeit Temperatur Druck Feuchtigkeit Bemerkungen
Auswertung, Präsentation und Diskussion:
1. Interpretiert die gemessen Werte. Präsentiert die Ergebnisse gemeinsam im
Plenum: Nutzt dazu eigene Fotos und Videos. Diskutiert. Beendet den Vortrag
mit einer Demonstration.
2. Fertigt ein Plakat oder eine schriftliche Dokumentation an. Erstellt ein Tutorial.
3. Im Rahmen einer weiteren Mission soll eine möglichst leichte Nutzlast entwickelt
und gebaut werden, damit die Startkosten geringer ausfallen. Entwerft
und diskutiert eine geeignete Methode.
DHT11 Sensor für Temperatur
und Luftfeuchtig-
3

Das Arbeitsheft umfasst 28 Seiten mit Aufgaben zur Planung, Vorbereitung und Auswertung eines Ballonfluges. Es enthält
zahlreiche Experimente zum Messen der Tragfähigkeit, der Steigrate, des Luftdruck, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit.
Digital und sensorgestützt. Im Labor und in der Stratosphäre. Darüber hinaus wird erfunden, entworfen und konstruiert: der
Fallschirm, die Ballonsonde und der eigene Datenlogger. Das Arbeitsheft ist modular aufgebaut und dadurch flexibel einsetzbar.
Im Wahlpflichtunterricht, in Projekttagen oder in Arbeitsgemeinschaften. Hebt mit uns ab!
Foto Titelseite: Startvorbereitungen für den Forschungsballon Sunrise am 8. Juni 2009 in Kiruna, Schweden (Foto: MPS)
Kontakt:
Feldstraße 12b
16341 Panketal
info@nawischool.de
Literatur und Links:
/2/ Kadner: Mit dem Ballon um die Welt. Montgolfier und der Heißluftballon. Piccard und der Gasballon. NaWiSchool, Berlin 2015
/3/ Kadner: Mit dem Ballon in die Stratosphäre. Das Schulprojekt. www.nawischool.de
NaWi School
Impressum:
Herausgeber: NaWiSchool e.V., Panketal 2019
Autor und Redaktion: © Immo Kadner, Panketal 2019
Lektorat: Danny Kühner, Stuttgart